TNPC型并网逆变器嵌位开关管失效分析与改进

张海明 杨圣

（1.合肥同智机电控制技术有限公司电源研究部 安徽省合肥市 230088）

（2.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 安徽省合肥市 230027）

近年来，分布式光伏呈现出爆发式增长，国家十三五规划中，分布式光伏发电的装机量将超过60GW。在分布式光伏发电系统中，光伏逆变器的性能关系到整个光伏发电系统的性能，无变压器非隔离型三电平光伏并网逆变器因为其低谐波畸变率、低器件承受压降、结构控制相对简单和低成本等优势，在分布式系统中已经得到了广泛的使用[1～3]。光伏逆变器是分布式光伏发电系统的核心器件，其可靠性对系统的稳定性至关重要。研究逆变器的失效形式对光伏系统具有重要的意义。

现有文献资料中，针对逆变器的失效性有大量的研究，文献[4]研究了NPC 型三电平逆变器在正常运行、并网待机及故障停机三种典型工况下的内外管不均压问题，阐述了每种情况下不平衡现象

的产生的机理，指出回路杂散参数、内外管结电容充放电电流不对称、等效回路LC振荡是造成不均压的主要原因；尽管分析的比较多，但是对实际运行中的主要失效模式分析不够透彻，所建立的电容模型没有加上二极管的影响，所以分析不够充分。文献[5]研究了中点箝位型三电平变换器系统安全工作区的刻画及应用，基于器件的安全工作区,综合考虑了变换器的拓扑结构、直流母线杂散参数、控制系统的延迟以及温度等因素,推导出了变换器系统安全工作区(SSOA)的数学模型。文献[6]分析了单相T型三电平逆变器的工作原理和调制控制策略，搭建了损耗模型并研究了电路中各个器件的损耗分布，搭建了4kW的实验样机平台，给出了并网实验结果，包括并网稳态和动态波形、效率等。文献[7]以T字型三电平拓扑为切入点,研究IGBT的瞬态行为,从而为提升系统可靠性及优化系统设计做出理论及实证支持。尽管以上文献对三电平模块均有研究，但是对于TNPC型逆变器的失效却研究较少。

本文根据逆变器常见T字型模块的炸机现象，分析模块的失效模式，通过对模块的测试发现了过压现象，并通过模型分析出产生过压的原因，并提出了一种简单的解决方案，实验结果验证了理论分析的正确性和所提方案的可能性。

1 TNPC模块常见的失效现象

在分布式项目中，逆变器失效模式主要是模块故障，而主流组串式并网逆变器均为T字型三电平逆变拓扑，以常用的模块M260为例，半桥IGBT(以下简称T1管与T4管)为耐压1200V的开关管，而嵌位开关管(以下简称T2管与T3管)为了追求高效率，选择的IGBT耐压值为600V。

对大量逆变器的炸机模块进行分析，发现T字型模块的损坏通常是上桥臂或下桥臂直通导致的过流炸机。由于死区时间的控制，模块上下管直通导致炸机的可能性相对比较小（模块直通通常不会造成T2和T3管的损坏）。

对于T字型三电平并网逆变器最常见的模块失效就是T2与T3管的失效。

失效的为T3管的并联二极管，经过与模块生产厂家共同分析，判定失效的原因为过压失效。

这种过压导致的T2或T3损坏，一旦逆变器并网运行，就会导致半桥臂直通而过流炸机，甚至导致逆变器的烧毁，严重的情况会导致人身安全和分布式发电系统的停机脱网。

针对模块T2和T3管过压失效的原因，对现有逆变器的T2和T3管进行了大量的测试，大部分机器的电压波形均正常，但是有少量逆变器在继电器吸合后和PWM脉冲发出之前的时间段，确实有过压情况。

在逆变器吸合后，系统会有1～2秒的待机时间，该待机时间主要是对继电器进行自检，对并网条件进行检测，该待机时间内，逆变器的四个开关管均处于关断状态。理论上，所有逆变器的T2和T3管两端的电压值均为电网的半波，但实际中，却有少数机器逆变器的T2和T3管两端电压不尽相同，且有部分电压超过了耐压值。

2 TNPC模块二三管过压分析

对现有逆变器中的T字型三电平拓扑进行分析，逆变器的结构如图1所示，当四个半导体开关管T1、T2、T3及T4均处于关断状态时，电网电压VG通过两个电感L1和L2加到a点与n点之间。

在实际情况中，半导体开关管T2的结电容C2与半导体开关管T3的结电容C3必然会存在偏差，假设结电容C2的容量大于C3，n点电压为0，在电网电压VG负半周的下降沿时，二极管D2截止，D3导通，结电容C2处于充电状态，b点电压小于零，并逐渐减小，最大会嵌位到负半周的最低点，由于结电容C2的容量大于C3，串联电路中流过结电容C2与C3的电量相同，结电容C3上的电压变化就大于C2上的电压变化，b点电位被充电到谷底后，通过结电容C3充电，结电容C3正电压变化到峰值后，不足以使b点电位回到正电位，b点一直处于负电平状态，这样就会出现ab两点压降大于an两点压降，半导体开关管T3管出现过压现象。假设极限情况下，即结电容C3的量为零时，C2没有了放电回路，b点电平会一直停在电网电压的谷底，半导体开关管T2压降为负的电网峰值电压，T3两端的电压就为正偏置的正弦波。

图1：逆变器的拓扑简图

图2：现有模块仿真结果

图3：增加放电电阻后的仿真结果

图4：增加均压模块后T3管并网前后的电压波形

在380Vac电网中，半导体开关管T3两端电压值会达到650V（电网峰峰值），部分分布式540Vac电网中，这个值会达到783V（电网峰峰值）。230V电网系统中，极限条件下不容易出现，而在277V的电网系统中，半导体开关管T2与T3现有拓扑结构再用600V耐压管而不采取措施就会产生过压。尤其当机器运行一段时间后，半导体开关管T2与T3的结电容容量的偏差会很大，降低了系统的可靠性。

实际情况中，T2与T3的结电容必然会有所偏差，就会出现上述现象，甚至机器运行一段时间后，两个开关管的结电容容量偏差很大的情况下，系统就显得很不可靠。

3 解决过压失效的新方案

由于结电容偏差导致的过压问题，可以通过多种方式解决，如增加开关管的耐压值，将耐压值提高至900V，也可以满足光伏分布式系统的要求，但是，在增加开关管电压的同时，开关管的导通电阻会增加导通损耗和开关损耗均会增加，这将引起效率的降低，会带来一定的不好的效果，且对已经存量系统中的升级代价太大。

本文提出在T2与T3两管上并联均压模块，以平衡寄生电容偏差带来的影响，利用均压模块进行均压和相位调整，使T2与T3即使结电容存在偏差甚至相差很大的情况下，两管关断时也不存在某一管过压的问题，以解决现有技术中可靠性低的问题。

在该系统方案中，均压模块可以有多种多样；首先、最简单的形式就是阻值在1～10MΩ的电阻，阻值不可太高也不可太低，太高的情况下，放电不完全，也会有电压偏差，阻值太低的情况下，放电功率太大，会带来损耗的问题；其次，可以通过增加RC电路的形式，平衡结电容的偏差，使两管相对均压。

无论哪种形式，方案均具有如下优点：

（1）在T2与T3两管上并联放电电路，解决了两管均关断的情况下，电网电压变化引起两管耐压不同。

（2）并联放电电路后，T2与T3两管可以使用600V的开关管，耐压值不会超过开关管要求值，在不牺牲效率的情况下，系统变得更加可靠。

4 仿真模拟和均压模块的设计

Ltspice是一种功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真软件，它可以进行各种各样的电路仿真并给出波形输出和数据输出，无论对哪种器件和哪种电路进行仿真，均可以得到精确的仿真结果。

本文利用LtSPICE软件对电路进行建模复现过压现象，再根据所提出的均压方案选择均压模块的均压电阻。

根据M260模块规格参数，二三管寄生电容的值为4.62nF，并模拟电网的系统参数和逆变器的工作环境，直流输入电压600V，交流电压277V，建立系统的模型，在继电器吸合后，逆变器发出PWM脉冲之前的电压波形，仿真结果如图2所示。

从图2的仿真结果看，当二管的结电容为标称额定值4.62nF，而三管的结电容假设为0V，此时，电网电压全部加在T3管的两端，电压值达到了650V，超过了600V的耐压值，仿真结果与理论分析以及测试数据十分接近，过压现象十分明显。

在复现过压现象的基础上，在T2和T3管上并联放电电阻R1和R2，阻值均为1MΩ，进行仿真后，仿真结果如图3所示。

从仿真结果可以看出，增加1MΩ的电阻后，T3管的电压降到了330V以内，且T2与T3管均压了。

通过以上仿真可以知道，T2与T3管并联放电电阻后，在系统待机情况下，T2与T3管实现了均压，开关管工作在安全范围内，电阻的均压效果非常好。

5 电路的搭建与实验结果的测试

根据仿真结果，选择元器件，并应用于有过压问题三电平逆变器的逆变模块上，实际的M260模块安装于PCB板下方，紧贴散热器进行散热。

在T2与T3管并联放电电阻后，再对T3管两端的电压波形进行测试，测试结果如图4所示。

由图4中可以看出，在系统待机自检阶段，四只开关管关断情况下，T3管的电压最大值只有415V，处于耐压600V开关管的安全范围。

由上述结果可以看出，通过在具有结电容偏差的T2与T3管并联均压电阻，两管在系统待机时间段可以保持电压相等，不会出现过压现象，使系统更加安全可靠。

6 小结

本文根据分布式光伏逆变器中，常见的逆变器T2与T3管的故障问题，在测试中发现了少数逆变器在待机过程中有过压的现象，对该现象进行分析发现是由于结电容的偏差引起的，因此提出了增加均压模块的解决方案；通过LtSPICE仿真软件复现了过压现象，并进行了均压模块的设计；最后通过实际电路的验证，解决了因为T2与T3管结电容偏差而导致的过压问题，在不降低系统效率的情况下，提高了系统的可靠性。